Recherche des photons d'ultra haute énergie dans les données de l'observatoire Pierre AUGER

Search for ultra high energy photons with the data of the pierre auger observatory

• Auteur / Autrice : Cécile Roucelle
• Direction : Pierre Billoir
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Champs, particules, matière
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie de fluorescence

Photons

Physique des hautes énergies

Rayonnement cosmique

Cosmologie

Mots clés libres

Gerbes atmosphériques

Résumé

L'une des voies explorées pour expliquer la présence de rayons cosmiques à des énergies extrêmes (≥10²º eV) repose sur la désintégration de particules ultra massives reliques de l'Univers primordial ou de défauts topologiques. Ces modèles, dits top-down, prévoient qu'une fraction significative des rayons cosmiques les plus énergétiques soit constituée de photons. Les gerbes atmosphériques issues de photons UHE ont un développement particulier qui permet de les distinguer des gerbes d'origine hadronique avec le détecteur de surface de l'observatoire Pierre Auger. Les données qui y ont été accumulées depuis 2004 nous ont permis d'établir une limite supérieure très basse sur la fraction de photons présente parmi les RCUHE, apportant une nouvelle contrainte aux modèles top-down. Nous avons pour cela développé une reconstruction particulière pour les gerbes issues de photons puis, en comparant statistiquement les événements d'Auger avec un ensemble de simulations de gerbes photoniques nous avons cherché à isoler des candidats. Une signature liée à la conversion de photons UHE dans le champ géomagnétique, attendue sur les directions d'arrivée des rayons cosmiques d'énergie supérieures à 10¹⁹̇̇̇̇̄̇̇̇̇̇̇·⁵ eV, a par ailleurs été recherchée. Aucun effet n'a été mis en évidence. Enfin, les particules ultra massives des modèles top-down pourraient s'accumuler par interaction gravitationnelle en suivant le profil de la matière noire. Des directions d'arrivée privilégiées pour les événements dont le comportement s'éloigne de celui d'une gerbe hadronique ont donc également été recherchées sur le ciel de l'hémisphère sud. Aucune accumulation statistiquement significative n'a été observée.

One of the trails that may lead to the understanding of the existence of the highest energy cosmic rays (≥10²º eV) relies on the decay of super heavy relies of the primordial Universe or topological defects. The remarkable common feature of these so called top-down models is the prediction that a significant fraction of the cosmic rays would be photons. The atmospheric showers triggered by high energy photons have a different development as compared to those induced by a hadronic primary. The main purpose of this dissertation is to identify photon induced showers using the surface detecter of the Pierre Auger Observatory. Using the data recorded since 2004, we have established a very low upper limit on the photon fraction by developing a specific analysis for photon induced showers and comparing the Auger events with a set of simulated photon induced showers. This limit brings a new constraint on the top-down models. We have also searched for the signature of the conversion of ultra high energy photons in the geomagnetic field, potentially observable in the arrivai directions of the events with energies above 10¹⁹̇̇̇̇̄̇̇̇̇̇̇·⁵ eV. No such effect has been observed. The ultra massive particles such as those expected from top-down models should cluster through gravitational attraction and follow the dark matter profiles. We have therefore also searched the southern sky for preferred directions with Auger events selected as exhibiting the most photon-like characteristics. No significant excess in any direction is found.